JP2000320345A - 圧縮自己着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気エミッションの向上と熱効率の改善とを
図る。 【解決手段】 １駆動サイクル中に圧縮，膨張行程を複
数回繰り返す反復行程を設定し、燃焼室４に設けた燃料
噴射弁９の燃料噴射時期をそれぞれの圧縮行程に設定し
てあるから、前の膨張行程の燃焼熱エネルギーを次の燃
焼のための噴射燃料の加熱用に回収し、該次の燃焼に必
要な燃料噴射量を少なくできて熱効率を向上できるとと
もに、クランク軸１回転あたりの排気ガス量が減少する
ため排気エミッションを改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧縮自己着火式内燃
機関、とりわけ、気筒の１駆動サイクル中に圧縮行程と
膨張行程とを反復させるようにした６行程以上の所謂多
行程サイクルの圧縮自己着火式内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の中には、例えば特開平５−２
４００４９号公報に示されているように、気筒の１駆動
サイクル中に圧縮行程と膨張行程とを２回反復させて６
行程サイクルとし、第２膨張行程で燃料の急速燃焼を行
わせてスモーク発生の抑制を図ったものや、特開平１０
−２５２５１１号公報に示されているように、機関始動
時等の不完全燃焼時に前述と同様に６行程サイクルとし
て排気バルブの閉状態を所定期間維持することにより未
燃ＨＣ（ＵＨＣ）の排出の抑制を図ったもの等が知られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者の６行程サイクル
機関では、燃焼は第２膨張行程のみで行われるためにク
ランク軸３回転に対して１行程しか有効仕事を得ること
ができず、通常の４行程サイクル機関がクランク軸２回
転に対して１行程で有効仕事を発生できるのに比べる
と、同一回転数では出力が低下してしまう不具合を生じ
る。

【０００４】また、後者の６行程サイクル機関では、ポ
ート噴射した燃料を吸気行程で空気と共に燃焼室に導入
した後、第１膨張行程で該燃料の大部分の燃焼を完了さ
せ、第２膨張行程では未燃分を燃焼させるだけであるた
め、この場合も前者と同様に有効仕事を得るのはクラン
ク軸３回転に対して１行程となって出力低下の問題が依
然として残される。

【０００５】そこで、本発明は前述のように通常では出
力低下が問題とされてしまう多行程サイクル方式を、適
切な条件の下で圧縮自己着火燃焼方式と組合わせること
によって、排気エミッションを向上できることは勿論、
従来排気損失として捨てていた高温ガスのエネルギーの
一部を回収して熱効率を改善でき、しかも、同一回転数
では４行程サイクル機関よりも出力を高めることができ
る圧縮自己着火式内燃機関を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明にあって
は、燃焼室に燃料噴射弁を有し、該燃料噴射弁により直
接燃焼室に噴射された燃料と空気との混合気を、ピスト
ンの圧縮により自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式
内燃機関において、吸入行程から排気行程に亘る１駆動
サイクルの間に吸，排気バルブを両方とも閉じたままで
圧縮行程と膨張行程とを複数回繰り返す反復行程を設定
し、かつ、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を少くともそ
れぞれの圧縮行程に設定したことを特徴としている。

【０００７】請求項２の発明にあっては、請求項１に記
載の１駆動サイクル中における燃料噴射弁の２回目以降
の燃料噴射時期を膨張行程に設定したことを特徴として
いる。

【０００８】請求項３の発明にあっては、請求項１，２
に記載の１駆動サイクル中における複数回の燃料噴射に
よる燃料噴射量の合計が、１駆動サイクル中の吸気量に
対して所定の目標空燃比となる燃料量に設定したことを
特徴としている。

【０００９】請求項４の発明にあっては、請求項３に記
載の所定の目標空燃比が理論空燃比であることを特徴と
している。

【００１０】請求項５の発明にあっては、請求項１〜４
に記載の圧縮行程と膨張行程の反復回数を２回として１
駆動サイクル中の行程数を６行程に設定し、かつ、クラ
ンク軸方向に隣接する気筒順にそれぞれ１行程ずれてサ
イクル駆動する６気筒機関を構成したことを特徴として
いる。

【００１１】請求項６の発明にあっては、請求項１〜５
に記載の吸，排気バルブを任意の時期に開閉可能なバル
ブ駆動機構を備えたことを特徴としている。

【００１２】請求項７の発明にあっては、請求項１〜５
に記載の吸，排気バルブを負荷に応じて開閉可能なバル
ブ駆動機構を備え、負荷に応じて吸，排気バルブの開閉
時期を変化させて圧縮行程と膨張行程の反復回数を変化
させ、１駆動サイクル中の行程数を変化させるようにし
たことを特徴としている。

【００１３】

【発明の効果】一般に、混合気を圧縮行程でピストンの
上動により高温高圧化して自己着火させる圧縮自己着火
式内燃機関では、混合気を理論空燃比とした場合は特に
高負荷側でノッキングを生じて圧縮自己着火燃焼が成立
しないことから、混合気は理論空燃比の２倍以上の空気
過剰状態にして、所謂稀薄燃焼を行わせるようにしてい
る。

【００１４】従って、４行程サイクル機関のように燃焼
が１回であると、排気ガス中には可成りの割合で高温の
空気が残存することになって、排気浄化のための触媒の
浄化性能、特にＮＯx の還元性能を発揮できなくなって
しまうばかりでなく、高温ガスの熱エネルギーが排気損
失として外部へ放出されてしまう。

【００１５】これに対して請求項１に記載の発明によれ
ば、吸入行程から排気行程に亘る１駆動サイクルの間に
吸，排気バルブを両方とも閉じたままで圧縮行程と膨張
行程とを複数回繰り返す反復行程を設定し、かつ、燃焼
室に設けた燃料噴射弁の燃料噴射時期を少くともそれぞ
れの圧縮行程に設定して燃料噴射を行わせて燃焼させる
ため、前の膨張行程に続く次の圧縮行程に移る過程にお
いて、前の膨張行程の燃焼によって発生した燃焼室の高
温ガスの持つ熱エネルギーを外部へ放出することなく次
に噴射される燃料の加熱用に回収されることから次の燃
焼に必要な燃料噴射量、つまり、投入エネルギー量を少
なくすることが可能となるから、４行程サイクル機関に
較べて熱効率を大幅に改善することができる。

【００１６】これに加えて、４行程サイクル機関と比較
すると、クランク軸１回転あたりの燃焼回数が増加して
外部に取り出せる仕事量が増加するため、出力を一段と
向上することができる。

【００１７】また、前記反復行程の設定と複数回の燃焼
とによって、クランク軸１回転あたりの排気ガス量を４
行程サイクル機関に対して減少させることができて、排
気ガス中に含まれる有害な未燃ＨＣやＮＯx の生成量が
低減して排気エミッションが改善され、しかも、残存空
気をなくすことができるため触媒装置のＮＯx 還元作用
を良好に行わせることができて、排気浄化性能を著しく
向上することができる。

【００１８】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
の発明の効果に加えて、１駆動サイクル中における燃料
噴射弁の２回目以降の燃料噴射時期を膨張行程に設定し
てあるため、後燃えが積極的に行われて熱効率を更に高
められると共に、次の圧縮行程で行われる圧縮自己着火
性を更に向上することができる。

【００１９】また、最終の膨張行程では前述のように該
膨張行程での燃料噴射によって後燃えを積極的に行わせ
ることができるため、未燃ＨＣやスモークの発生を著し
く抑制できて排気エミッションを更に向上することがで
きる。

【００２０】請求項３に記載の発明によれば、請求項
１，２の発明の効果に加えて、１駆動サイクル中に複数
回の燃料噴射を行っても、その合計の燃料噴射量は所定
の目標空燃比となる量に設定されるため、燃料噴射量を
適切に設定して燃費の向上および機関特性の向上を図る
ことができる。

【００２１】請求項４に記載の発明によれば、請求項３
の発明の効果に加えて、所定の目標空燃比を理論空燃比
としてあるため、排気の後処理装置として安価で普及率
および信頼性の高い三元触媒装置を利用して、ＨＣ，Ｃ
Ｏの酸化作用とＮＯx の還元作用とを良好に発揮させる
ことができて排気浄化性能を高めることができる。

【００２２】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
〜４の発明の効果に加えて、圧縮，膨張行程の反復回数
を２回として１駆動サイクル中の行程数を６行程に設定
し、そして、クランク軸方向に隣接する気筒順にそれぞ
れ１行程ずれてサイクル駆動する６気筒機関を構成して
いるため、各気筒の１駆動サイクル中における１回目と
２回目の燃焼，膨張行程における膨張力に差があったと
しても、６気筒全体で見ればどの駆動時点をとっても気
筒列方向で１回目の燃焼，膨張行程を行う気筒と２回目
の燃焼，膨張行程を行う気筒とが等しく存在するように
なるから、クランク軸の回転変動を最小限に抑えて機関
の振動，騒音を低下させることができる。

【００２３】請求項６に記載の発明によれば、請求項１
〜５の発明の効果に加えて、吸，排気バルブは任意の時
期に開閉可能としてあるため、燃焼室内で不完全な燃焼
が発生した場合に吸，排気バルブの開弁動作を所定の行
程数機関内で休止させて、完全燃焼が開始されるまで連
続して圧縮，膨張行程を反復させることが容易に行える
ため、不完全燃焼発生時、特に機関始動時などに未燃Ｈ
Ｃの排出を抑制することが可能となる。

【００２４】また、吸，排気バルブを任意の時期にそれ
ぞれ独立して開閉可能であるため、機関回転数に応じて
吸入空気量が最大になるようにバルブタイミングを連続
的に変化させることが可能となり、従って、出力を更に
向上することができる。

【００２５】請求項７に記載の発明によれば、請求項１
〜５の発明の効果に加えて、吸，排気バルブは負荷に応
じて開閉可能として、負荷に応じて該吸，排気バルブの
開閉時期を変化させて圧縮行程と膨張行程の反復回数を
変化させ、１駆動サイクル中の行程数を変化させるよう
にしてあるため、吸気絞りによるポンプロスや実圧縮比
低下による熱効率の低下を伴うことなく負荷を変化させ
ることができ、機関の熱効率を向上することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面と
ともに詳述する。

【００２７】図１において、１はシリンダブロック、２
はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダ
ブロック１，ピストン２，およびシリンダヘッド３によ
り形成された燃焼室を示す。

【００２８】シリンダヘッド３には吸気ポート５を開閉
する吸気バルブ６と、排気ポート７を開閉する排気バル
ブ８とを配設してあると共に、燃焼室４に直接燃料を噴
射する燃料噴射弁９を配設してあり、また、前記吸気ポ
ート５に接続した吸気通路１０には吸入空気量を検出す
るエアフローメータ１１を配設してある。

【００２９】燃料噴射弁９からは例えばガソリン等のセ
タン価の低い燃料が噴射されて燃焼室４内に混合気を形
成し、この混合気を圧縮行程でピストン２の上動によっ
て高温高圧化することにより自己着火させて燃焼を行わ
せるようにしてある。

【００３０】この燃料噴射弁９の燃料噴射時期および燃
料噴射量はエンジンコントロールユニット１２によって
後述するように制御される。

【００３１】エンジンコントロールユニット１２には、
機関運転条件を示す信号として、機関の回転数信号，負
荷信号，油水温信号，空気量信号，および空燃比信号等
が入力され、これら各種の入力信号に基づいて演算処理
を行って燃料噴射弁駆動回路１３に制御信号を出力し、
該燃料噴射弁駆動回路１３により燃料噴射弁９の燃料噴
射時期と燃料噴射量とを適切に制御するようにしてあ
る。

【００３２】ここで、前記吸気バルブ６と排気バルブ８
は、図外のバルブ駆動機構により開弁動作を一定期間休
止させて、気筒の吸入行程から排気行程に亘る１駆動サ
イクルの間に、吸，排気バルブ６，８が両方とも閉じた
まま圧縮行程と膨張行程とが複数回繰り返されて、行程
数が６行程以上となる所謂多行程サイクルの機関を構成
している。

【００３３】この実施形態では例えば図２に示すように
圧縮行程と膨張行程の反復回数を２回として、吸入行程
Ａ，第１圧縮行程Ｂ，第１膨張行程Ｃ，第２圧縮行程
Ｄ，第２膨張行程Ｅ，および排気行程Ｆの６サイクル運
転を行うように設定してある。

【００３４】そして、この６行程からなる１駆動サイク
ル中に燃料噴射弁９より複数回の燃料噴射を行って、複
数回の圧縮自己着火燃焼を行わせるようにしている。

【００３５】本実施形態では前記１駆動サイクル中に２
回の燃料噴射を行って、２回の圧縮自己着火燃焼を行わ
せるようにしている。

【００３６】第１回目の圧縮自己着火は第１圧縮行程の
後半のＴＤＣ近傍で行われればよいから、第１回目の燃
料噴射時期ＩＮＪ１は吸入行程Ａから第１圧縮行程Ｂの
前半迄の所定期間Ｔ１に設定すればよいが、気化の促進
および均質混合気の形成を目的として本実施形態ではこ
の第１回目の燃料噴射時期ＩＮＪ１を、筒内流動勢力が
大きくなる吸気行程Ａの途中に設定している。

【００３７】また、第２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２は
本実施形態では第２圧縮行程の前半に設定して、第２回
目の圧縮自己着火が第２圧縮行程Ｄの後半のＴＤＣ近傍
で行われるようにしているが、後述するように第１回目
の圧縮自己着火燃焼による熱エネルギーが第２膨張行程
Ｅの前半部分まで高く保存されて、該第２膨張行程Ｅの
前半部分でも自己着火燃焼が可能となるため、この第２
回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２は第１回目の圧縮自己着火
燃焼がほぼ終了する第１膨張行程Ｃの後半から第２膨張
行程Ｅの前半迄の所定期間Ｔ２の範囲で任意に設定する
ことができる。

【００３８】このように燃料噴射弁９から１駆動サイク
ル中に２回に亘って燃料が噴射されるが、その噴射量の
合計は燃費，機関性能および排気性状等を勘案してこれ
ら諸性能を良好に維持できるように、１駆動サイクル中
の吸気量に対して所定の目標空燃比となるように設定さ
れるもので、これらの燃料噴射弁９の燃料噴射時期およ
び燃料噴射量は、前記エンジンコントロールユニット１
２および燃料噴射弁駆動回路１３によって、機関運転状
態に応じて適切に制御される。

【００３９】次にこの図２を参照して本実施形態の６行
程サイクル機関の作動内容について説明する。

【００４０】図２ではピストン変位Ｐに伴う吸気バルブ
６の作動状態ＩＶと排気バルブ８の作動状態ＥＶとを併
記して示している。

【００４１】この６行程サイクル機関では、前述のよう
に吸入行程Ａ，第１圧縮行程Ｂ，第１膨張行程Ｃ，第２
圧縮行程Ｄ，第２膨張行程Ｅ，および排気行程Ｆ、の６
行程を１駆動サイクルとして順次繰り返し作動されるも
のである。

【００４２】ピストン変位Ｐはピストン２の上死点ＴＤ
Ｃと下死点ＢＤＣ間を変位するもので、図２の上部に示
している。

【００４３】先ず、ピストン２が上死点ＴＤＣから下降
すると共に、吸気バルブ６がＩＶで示すように開弁作動
して吸入行程Ａが開始され、吸気ポート５を通して燃焼
室２に新気が導入されると共に、燃料噴射弁９により第
１回目の燃料噴射ＩＮＪ１を行い、ピストン２が下死点
ＢＤＣに到達して吸入行程Ａが終了する。

【００４４】次いで、ピストン２が下死点ＢＤＣから上
昇して第１圧縮行程Ｂが開始し、燃焼室４内、即ち、筒
内圧力が上昇する。なお、第１回目の燃料噴射ＩＮＪ１
は前述のように所定期間Ｔ１内であれば第１圧縮行程Ｂ
内で行っても良い。

【００４５】ピストン２の上動によって筒内の高温，高
圧状態が強められる第１圧縮行程の後半に筒内の混合気
は圧縮自己着火燃焼を開始する。

【００４６】続いて、ピストン２が上死点ＴＤＣを過ぎ
て下降が開始されて第１膨張行程Ｃが開始されるが、第
１圧縮行程Ｂの後半に開始した第１回目の圧縮自己着火
燃焼による熱発生ＱＢ１の大部分は、第１膨張行程Ｃの
前半に終了し、ピストン２を押し下げることで仕事を発
生する。そして、ピストン２が下死点ＢＤＣに到達して
第１膨張行程Ｃが終了する。

【００４７】再びピストン２が上昇することにより第２
圧縮行程Ｄが開始され、この第２圧縮行程Ｄで燃料噴射
弁９により第２回目の燃料噴射ＩＮＪ２を行い、第２圧
縮行程Ｄの後半に筒内の混合気は再び圧縮自己着火燃焼
を開始する。

【００４８】第２膨張行程Ｅでピストン２が下降し、こ
の時の第２回目の圧縮自己着火燃焼による熱発生ＱＢ２
によってピストン２を押し下げ、再び仕事を発生した後
ピストン２が下死点ＢＤＣへ到達して第２膨張行程Ｅが
終了する。

【００４９】この第２膨張行程Ｅの後半から排気バルブ
８がＥＶで示すように開弁作動し、第２膨張行程Ｅが終
了してピストン２の上昇により排気行程Ｆが開始し、排
気ポート７を通して筒内の排気ガスが排出される。

【００５０】図３は前記実施形態の６行程サイクル機関
の熱勘定を、通常の４行程サイクル機関の熱勘定と対比
して示す模式図で、同図の（Ａ）は４行程サイクルの圧
縮自己着火式内燃機関の熱勘定を、および同図の（Ｂ）
は６行程サイクルの圧縮自己着火式内燃機関の熱勘定を
示している。

【００５１】図３の（Ａ）に示すように、４行程サイク
ル機関では供給された燃料の持っている投入熱量Ｑinに
対して冷却水等への放熱損失Ｑcoolと、空気を暖めるた
めに使われた後に排気として捨てられてしまう熱量Ｑex
h とを差し引いた残りが仕事Ｗとして取り出されること
になり（時間的な損失は簡略化のためここでは考えない
こととする）、熱効率は

【数１】 で得られる。

【００５２】これに対して、本実施形態の６行程サイク
ル機関では、図３の（Ｂ）に示すように第１回目の噴射
燃料の持っている投入熱量Ｑinに対して冷却水等への放
熱損失Ｑcoolと、空気を暖めるために使われた熱Ｑexh
とを差し引いた残りが第１膨張行程Ｃで得られる仕事Ｗ
となり、また、第２回目の噴射燃料の持っている投入熱
量Ｑin’に対して冷却水等への放熱損失Ｑcoolと、排気
として捨てらてしまう熱量Ｑexh とを差し引いた残りが
第２膨張行程Ｅで得られる仕事Ｗとなるが、前記第１膨
張行程Ｃと第２膨張行程Ｅとの間には排気行程が存在し
ないため排気損失が存在しないことになり、第１回目の
圧縮自己着火燃焼により得られた高温ガスの熱量Ｑexh
を第２回目の噴射燃料の加熱用に回収されるため、この
熱量Ｑexh 分第２回目の圧縮自己着火燃焼に必要な燃料
噴射量、つまり、投入熱量Ｑin’を少なくすることがで
きる。

【００５３】即ち、熱効率は

【数２】 で得られ、前記４行程サイクル機関に較べて熱効率を大
幅に改善することができる。

【００５４】

【数３】 また、４行程サイクル機関と比較すると、クランク軸１
回転あたりの燃焼回数が増加して外部に取り出せる仕事
量が増加するため、出力を一段と向上することができ
る。

【００５５】更に、圧縮，膨張行程を繰り返す反復行程
の設定と複数回の燃焼とによって、クランク軸１回転あ
たりの排気ガス量を４行程サイクル機関に対して減少さ
せることができるため、排気ガス中に含まれる有害な未
燃ＨＣやＮＯx の生成量が低減して排気エミッションが
改善され、しかも、残存空気をなくすことができて触媒
装置のＮＯx 還元作用を良好に行わせることができ、排
気浄化性能を著しく向上することができる。

【００５６】また、１駆動サイクル中に複数回の燃料噴
射を行っても、その合計の燃料噴射量は所定の目標空燃
比となる量に設定されるため、燃費の向上および機関特
性の向上を図ることができる。

【００５７】ここで、燃料噴射弁９の第２回目の燃料噴
射時期は本実施形態では第２圧縮行程Ｄに設定している
が、第１回目の圧縮自己着火燃焼により発生した熱エネ
ルギーは第２膨張行程Ｅの前半部分まで高く保存され
て、該第２膨張行程Ｅの前半部分でも自己着火燃焼が可
能であることから、燃料噴射弁９の第２回目の燃料噴射
時期ＩＮＪ２を第２膨張行程Ｅの前半部分に設定しても
自己着火燃焼を良好に行わせることができ、この場合、
最終の第２膨張行程Ｅでの燃料噴射によって、後燃えが
積極的に行われて未燃ＨＣやスモークの発生を著しく抑
制できて排気エミッションを更に向上することができ
る。

【００５８】前記実施形態では燃料噴射弁９による燃料
噴射を吸入行程Ａと第２圧縮行程Ｄで行わせて、１駆動
サイクル中に２回の圧縮自己着火燃焼を行わせている
が、前述の理由によりこれに加えて第２膨張行程Ｅの前
半にも燃料噴射を行わせて１駆動サイクル中に３回の自
己着火燃焼を行わせることも可能である。

【００５９】一方、このように１駆動サイクル中に複数
回の燃料噴射を行わせる場合に、前述したように燃料噴
射量の合計が１駆動サイクル中の吸気量に対して所定の
目標空燃比となる燃料量に設定することが肝要である
が、この目標空燃比を理論空燃比とすれば排気中の残存
空気をなくすことができて、排気の後処理装置として安
価で普及率および信頼性の高い三元触媒装置の利用が可
能となり、該三元触媒装置のＨＣ，ＣＯの酸化作用とＮ
Ｏx の還元作用とを良好に発揮させて排気浄化性能を高
めることができる。

【００６０】即ち、本来、圧縮自己着火式内燃機関では
混合気を理論空燃比に設定した場合、４行程サイクル運
転では高負荷側でノッキングを生じて圧縮自己着火燃焼
が不成立となってしまい、従って、混合気は理論空燃比
の２倍以上の空気過剰状態にして所謂稀薄燃焼（リーン
燃焼）を行わせる必要があり、この結果、排気中の残存
酸素量が多くなって三元触媒装置ではＮＯx の還元性能
を発揮できなくなってしまうことから、排気浄化対策と
しては高価なリーンＮＯx 触媒装置を使用せざるを得な
くなってしまう。

【００６１】一方、これに較べて本実施形態の場合、６
行程サイクル運転を行って１駆動サイクル中に２回の燃
料噴射を行って２回の圧縮自己着火燃焼を行わせるた
め、１回目の燃料噴射ではある程度空気過剰の空燃比と
なる燃料噴射量とし、２回目の燃料噴射では閉じ込めら
れた高温ガス中の残存空気量に対して理論空燃比となる
燃料噴射量とすることで、ノッキングを伴うことなく圧
縮自己着火燃焼を成立させることができ、この２回目の
燃料噴射による圧縮自己着火燃焼で全ての残存酸素を消
費することができて所謂排気の理論空燃比化が行え、三
元触媒装置の使用が可能となってコスト的には勿論、排
気浄化対策を徹底する上で非常に有利となる。

【００６２】図４はこのような混合気の空燃比設定（比
は質量比とする）のしくみを模式的に示している。

【００６３】一般的な４行程サイクルの火花着火式のガ
ソリン機関では、図４の（Ａ）に示すように空燃比を理
論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）に設定してあるため燃焼
後の排気中に残存空気はなく、従って、排気中の未燃Ｈ
ＣやＮＯx 等の有害成分は三元触媒装置を用いて良好に
浄化処理することができる。しかし、負荷対応は吸気絞
りを行わなければならないため、部分負荷でのポンプロ
スによる熱効率低下は避けられない。

【００６４】また、一般的なディーゼル機関では図４の
（Ｂ）に示すように理論空燃比よりも空気過剰の稀薄空
燃比に設定しているため、燃焼後の排気中には燃焼に寄
与しなかった過剰分の空気がそのまま残存して残存酸素
量が多く、未燃ＨＣ，ＮＯx等の有害成分の浄化処理に
三触媒装置を用いたのでは還元作用が有効に働かないた
め、高価なリーンＮＯx 触媒装置を使用せざるを得ずコ
スト的に不利となってしまう。

【００６５】一方、本実施形態では図４の（Ｃ）に示す
ように１回目の燃料噴射では、圧縮自己着火燃焼を成立
させるため理論空燃比よりも空気過剰の所定の稀薄空燃
比が得られる燃料噴射量に設定されるため、１回目の圧
縮自己着火燃焼では燃焼に寄与しなかった過剰分の空気
が作動ガス中に残存するが、２回目の燃料噴射では閉じ
込められたこの高温の作動ガス中の残存空気量に対して
理論空燃比となる所定量の燃料を噴射することによっ
て、ノッキングを伴うことなく圧縮自己着火燃焼を成立
させることができると共に、排気中の残存酸素をなくし
て三元触媒装置による排気浄化を良好に行わせることが
できる。

【００６６】ここで、前述のように６行程サイクル運転
して１駆動サイクル中に２回の圧縮自己着火燃焼を行わ
せた場合、第１膨張行程Ｃでは作動ガスは吸入行程中に
吸入した空気のみであるが、第２膨張行程Ｅでは１回目
の燃焼による高温のガスが作動ガスとなるため、筒内温
度条件がＣとＥとでは異なり、圧縮自己着火性に及ぼす
ことが予想され、結果的に燃焼，膨張によるピストン２
を押し下げる力が異なってしまうことが予想される。

【００６７】そこで、このような６行程サイクル運転を
行わせる場合、図５に示すように＃１気筒〜＃６気筒か
らなる６気筒機関を構成し、かつ、クランク軸方向に隣
接する気筒順にそれぞれ１行程ずれてサイクル駆動する
ように構成することによって、各気筒の１駆動サイクル
中における１回目と２回目の燃焼，膨張行程Ｃ，Ｅにお
ける膨張力に差があったとしても、６気筒全体で見れば
どの駆動時点をとっても気筒列方向（図５の縦列）で１
回目の燃焼，膨張行程Ｃを行う気筒と、２回目の燃焼，
膨張行程Ｅを行う気筒とが等しく存在するようになり、
従って、クランク軸の回転変動を最小限に抑えて機関の
振動，騒音を低下させることが可能となる。

【００６８】前述の吸気バルブ６および排気バルブ８の
バルブ駆動機構として、これら吸，排気バルブ６，８を
任意の時期に開閉可能なバルブ駆動機構を用いれば、運
転条件によって前記圧縮，膨張行程の反復回数を任意に
可変制御することができる。

【００６９】これは、例えば燃焼室４内で不完全な燃焼
が発生した場合に、吸，排気バルブ６，８の開弁動作を
所定の行程数期間内で休止させて、完全燃焼が開始され
るまで連続して圧縮，膨張行程を反復させることによ
り、不完全燃焼時、特に機関始動時などに未燃ＨＣの排
出を抑制することが可能となる。

【００７０】また、吸，排気バルブ６，８を任意の時期
にそれぞれ独立して開閉可能となるため、機関回転数に
応じて吸入空気量が最大になるようにバルブタイミング
を連続的に変化させることが可能となり、出力を更に向
上させることができる。

【００７１】このような圧縮，膨張行程の反復回数の可
変制御と共に燃料噴射時期を多段制御することによっ
て、特定運転時における排気エミッションの改善を図る
こともできる。

【００７２】図６は例えば前述の１駆動サイクル中に第
３圧縮行程Ｄ’と第３膨張行程Ｅ’を加えて前記反復回
数を２回から３回へと変化させて、６行程サイクル運転
から８行程サイクル運転へと可変制御すると共に、第３
圧縮行程Ｄ’で３回目の燃料噴射ＩＮＪ３を行わせるよ
うにした場合を示している。

【００７３】即ち、負荷要求値が低い（燃料噴射量が少
い）場合や、過給等で空気過剰率が高い運転条件では、
６行程サイクル運転して２回の燃料噴射を行っただけで
は作動ガス中の酸素を消費しきれない状態が発生する
が、１駆動サイクル中に第３圧縮行程Ｄ’と第３膨張行
程Ｅ’を追加すると共に、第３圧縮行程Ｄ’でも３回目
の燃料噴射ＩＮＪ３を行わせることによって残存酸素を
なくすことが可能となる。

【００７４】この圧縮，膨張行程の反復回数と燃料噴射
回数は、残存酸素を消費するまで更に追加させることも
できる。

【００７５】この場合６行程サイクル運転時と比較し
て、クランク軸１回転あたりの排気損失熱量を更に低く
抑えることができ、クランク軸１回転あたりの仕事が増
加するので出力を高められると共に、排気ガス量が更に
低減するため排気エミッションを改善することができ
る。

【００７６】図７は吸，排気バルブ６，８を電磁アクチ
ュエータ１４，１５により開閉させる電磁駆動タイプと
した例を示している。

【００７７】エンジンコントロールユニット１２から電
磁弁駆動回路１６に制御信号が送られると、該電磁弁駆
動回路１６より電磁アクチュエータ１４，１５に高電圧
電流が供給され、任意の時期に吸，排気バルブ６，８を
それぞれ独立して開閉駆動させるようにしてある。

【００７８】この電磁駆動タイプの吸，排気バルブ６，
８を用いれば、前述の圧縮，膨張行程の反復回数の可変
制御を容易に行うことができる。

【００７９】また、この電磁駆動タイプの吸，排気バル
ブ６，８を用いた場合、これら吸，排気バルブ６，８の
開閉時期を負荷に応じて変化させ、圧縮，膨張行程の反
復回数を負荷に応じて可変制御することもできる。

【００８０】図８は機関の負荷コントロール方式を模式
的に示したもので、図８の（Ａ）は一般的なディーゼル
機関などのように燃料噴射量の制御のみによって負荷変
化を行わせるもので、この場合理論空燃比での運転状況
で燃料噴射量を絞って低負荷化を行うと、吸入空気量は
変わらないため空気過剰の稀薄空燃比となってしまい、
三元触媒装置による排気の浄化処理が困難となってしま
う。

【００８１】図８（Ｂ）は一般的な４行程サイクルの火
花着火式のガソリン機関のように吸入空気量と燃料噴射
量の制御によって負荷変化を行わせるもので、この場合
理論空燃比での運転状況で吸入空気量と燃料噴射量とを
絞って低負荷化を行うと、ポンプロスや実圧縮比の低下
による熱効率の悪化を生じてしまう。

【００８２】一方、図８の（Ｃ）は電磁駆動タイプの
吸，排気バルブ６，８を用いて、圧縮，膨張行程の反復
回数を負荷に応じて可変制御するようにした場合を示し
ている。

【００８３】この例では４行程サイクル運転中に１回の
燃料噴射を行なって、空燃比が理論空燃比となるように
設定された運転状態から低負荷へと負荷変化した際に、
吸、排気バルブ６，８の開閉時期を変化させて圧縮、膨
張行程を追加して２回とし、最終的に空燃比が理論空燃
比となるように２回の燃料噴射を行なう６行程サイクル
運転に変更するようにしている。

【００８４】即ち、仕事（負荷）量∝燃料量ｍｆとすれ
ば、４行程サイクル運転時ではクランク軸１回転あたり
の仕事量は１／２ｍｆとなり、６行程サイクル運転時で
は１／３ｍｆとなって低負荷化（１／２ｍｆ＞１／３ｍ
ｆ）が行われ、この場合吸気絞りによるポンプロスや実
圧縮比の低下がなく高圧縮比が維持できて熱効率の低下
を伴うことがなく、また、該低負荷時でも理論空燃比の
維持を容易に行なえて三元触媒装置の浄化機能を良好に
発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の基本構成を示す略示的
説明図。

【図２】本発明の第１実施形態における吸，排気バルブ
と燃料噴射弁との作動タイミングを示す説明図。

【図３】４行程サイクル機関と６行程サイクル機関の熱
効率のしくみを模式的に示す説明図。

【図４】空燃比設定のしくみを模式的に示す説明図。

【図５】６気筒機関を構成した場合の駆動タイミングを
示す説明図。

【図６】本発明の第２実施形態を示す図２と同様の説明
図。

【図７】本発明の第３実施形態の基本構成を示す略示的
説明図。

【図８】機関の負荷コントロール方式を模式的に示す説
明図。

【符号の説明】

１ シリンダブロック ２ ピストン ３ シリンダヘッド ４ 燃焼室 ６ 吸気バルブ ８ 排気バルブ ９ 燃料噴射弁 １２ エンジンコントロールユニット

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に燃料噴射弁を有し、該燃料噴射
   弁により直接燃焼室に噴射された燃料と空気との混合気
   を、ピストンの圧縮により自己着火して燃焼させる圧縮
   自己着火式内燃機関において、吸入行程から排気行程に
   亘る１駆動サイクルの間に吸，排気バルブを両方とも閉
   じたままで圧縮行程と膨張行程とを複数回繰り返す反復
   行程を設定し、かつ、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を
   少くともそれぞれの圧縮行程に設定したことを特徴とす
   る圧縮自己着火式内燃機関。
2. 【請求項２】 １駆動サイクル中における燃料噴射弁の
   ２回目以降の燃料噴射時期を膨張行程に設定したことを
   特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火式内燃機関。
3. 【請求項３】 １駆動サイクル中における複数回の燃料
   噴射による燃料噴射量の合計が、１駆動サイクル中の吸
   気量に対して所定の目標空燃比となる燃料量に設定した
   ことを特徴とする請求項１，２に記載の圧縮自己着火式
   内燃機関。
4. 【請求項４】 所定の目標空燃比が理論空燃比であるこ
   とを特徴とする請求項３に記載の圧縮自己着火式内燃機
   関。
5. 【請求項５】 圧縮行程と膨張行程の反復回数を２回と
   して１駆動サイクル中の行程数を６行程に設定し、か
   つ、クランク軸方向に隣接する気筒順にそれぞれ１行程
   ずれてサイクル駆動する６気筒機関を構成したことを特
   徴とする請求項１〜４の何れかに記載の圧縮自己着火式
   内燃機関。
6. 【請求項６】 吸，排気バルブを任意の時期に開閉可能
   なバルブ駆動機構を備えたことを特徴とする請求項１〜
   ５の何れかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
7. 【請求項７】 吸，排気バルブを負荷に応じて開閉可能
   なバルブ駆動機構を備え、負荷に応じて吸，排気バルブ
   の開閉時期を変化させて圧縮行程と膨張行程の反復回数
   を変化させ、１駆動サイクル中の行程数を変化させるよ
   うにしたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載
   の圧縮自己着火式内燃機関。